EP2590313A1 - Umrichtersystem sowie leistungselektronisches System mit solchen Umrichtersystemen - Google Patents

Umrichtersystem sowie leistungselektronisches System mit solchen Umrichtersystemen Download PDF

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EP2590313A1
EP2590313A1 EP11187628.0A EP11187628A EP2590313A1 EP 2590313 A1 EP2590313 A1 EP 2590313A1 EP 11187628 A EP11187628 A EP 11187628A EP 2590313 A1 EP2590313 A1 EP 2590313A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
phase voltage
converter
systems
voltage source
short
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11187628.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Steimer
Oscar Apeldoorn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Technology AG filed Critical ABB Technology AG
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Publication of EP2590313A1 publication Critical patent/EP2590313A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage

Definitions

  • the invention relates to the field of power electronics. It is based on an inverter system and a power electronic system with such converter systems according to the preamble of the independent claims.
  • the power electronic system of DE 102005040543A1 comprises at least two phase components, each phase component having a first and a second partial converter system.
  • Each subconductor system comprises an inductance and series-connected n series-connected bipolar switching cells, where n ⁇ 2 and each switch cell has controllable bidirectional power semiconductor switches with controlled unidirectional current-carrying direction and a capacitive energy store.
  • the inductance of the first Partial converter system connected in series with the inductance of the second partial converter system.
  • connection point of the inductance of the first partial converter system with the inductance of the second partial converter system forms a phase connection for each phase component.
  • At the phase terminals is typically an electrical AC voltage network, that is connected in each case a phase voltage source, or an electrical load.
  • the resulting fault current typically flows through the affected phase terminal from or into the AC electrical network or from or to the electrical load before the power electronic system at the phase terminals is disconnected. Until this separation takes place, the power electronic system, in particular the components may damage the power electronic system, so that the power electronic system needs to be serviced and availability is reduced.
  • the object of the invention is therefore to provide an inverter system, in which an improved control of a fault occurring in a partial converter system of the converter system fault current is possible.
  • Another object of the invention is to provide a power electronic system with inverter systems, which is very simple and modular to implement.
  • a short-circuit element with the connection point connected to the phase voltage source, which short-circuit element is at a definable voltage potential.
  • the short-circuit element is used for the galvanic connection to the definable voltage potential N1, ie in particular the short circuit of the phase voltage source in the event of a fault current occurring due to a fault in a partial converter system.
  • the fault current is advantageously divided on the side of the phase voltage source, but also on the partial converter system or on the subcircuit systems, so that in the case of several subcircuit systems briefly also partial currents caused by the not affected by the error subcircuit systems, before the inverter system from the phase voltage source or a connected electrical load is disconnected.
  • a fault current occurring in the event of a fault in a partial converter system can be controlled very easily before the phase voltage source is disconnected.
  • the power electronic system according to the invention comprises m of the aforementioned converter systems according to the invention, where m> 1, the short-circuit elements of the converter systems then all lying at the definable voltage potential.
  • the power electronic system according to the invention is thus conceivably simple, modular and particularly easily scalable in terms of electrical power. Because the short-circuit elements of the converter systems are all at the definable voltage potential, by means of the short-circuit elements in the event of a fault current occurring, for example caused by a fault in a partial converter system, a galvanic connection of all the phase voltage sources to the definable voltage potential, i. in particular a short circuit of the phase voltage sources can be achieved.
  • the fault current then splits advantageously on the side of the phase voltage sources, but also on the sub-converter systems of the converter systems, before the converter systems are disconnected from the phase voltage sources.
  • a fault current which occurs in the event of a fault in a partial converter system can be controlled very easily before the phase voltage sources are disconnected.
  • a first embodiment of an inventive inverter system 1 is shown. Furthermore shows Fig. 2 a second embodiment of the inventive inverter system 1.
  • the converter system 1 according to Fig. 1 and Fig. 2 comprises a phase voltage source 2 and generally n partial converter systems 3.1, ..., 3.n, where n ⁇ 1.
  • n 1, as exemplified in Fig.1 1, the subcurrent system 3 is connected to the phase voltage source 2 at a connection point A.
  • n> 1 as exemplified in Fig. 2
  • the subcircuit systems 3.1,..., 3.n are then connected to the phase voltage source 2 at the connection point A.
  • a short-circuit element 4 is now connected to the connection point A with the phase voltage source 2, which short-circuit element 4 is at a definable voltage potential N1.
  • the definable voltage potential N1 can be set, for example, as ground potential.
  • the short-circuit element 4 is used for galvanic connection to the definable voltage potential N1, ie in particular the short circuit of the phase voltage source 2 in the event of a fault current occurring due to an error in a partial converter system 3.1, ..., 3.n.
  • the fault current is advantageously divided on the side of the phase voltage source 2, but also on the partial converter system 3.1 or on the partial converter systems 3.1, ..., 3.n, so that in the case of several partial converter systems 3.1, ..., 3.n briefly Partial currents are also generated by the subconverter systems 3.1,..., 3.n, which are not affected by the fault, before the converter system is disconnected from the phase voltage source 2 or from a typically connected electrical load.
  • Partial currents are also generated by the subconverter systems 3.1,..., 3.n, which are not affected by the fault, before the converter system is disconnected from the phase voltage source 2 or from a typically connected electrical load.
  • a fault current occurring in the event of a fault in a partial converter system 3.1,..., 3.n can be controlled very easily before the phase voltage source 2 is disconnected.
  • the phase voltage source 2 is at a further definable voltage potential N2, as exemplified in Fig. 1 and Fig. 2 shown. It has proven to be advantageous for the definable voltage potential N1 of the short-circuit element 4 to correspond to the definable voltage potential N2 of the phase voltage source 2 of the converter systems 1, since then the phase voltage source can be effectively short-circuited in the desired manner.
  • a power switch 5 is connected between the connection point A and the phase voltage source 2.
  • the power switch 5 is designed as a mechanical switch.
  • the partial converter system 3.1,..., 3.n comprises an inductance L and two series-connected bipolar switching cells 6 connected in series, p ⁇ 2 and each switching cell 6 having controllable bidirectional power semiconductor switches with controlled unidirectional current carrying direction and a capacitive energy store.
  • the partial converter system 3.1, ..., 3.n is connected to the inductance L with the connection point A.
  • the respective controllable bidirectional power semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction of the switching cells 6 of the partial converter system 3.1, ..., 3.n is in particular as a turn-off thyristor (GTO - gate turn-off thyristor) or as an integrated thyristor with commutated drive (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor ) each formed with an antiparallel connected diode.
  • a controllable bidirectional power semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction for example as a power MOSFET with an additional antiparallel-connected diode or as a bipolar transistor with insulated gate electrode (IGBT) with additionally antiparallel-connected diode.
  • Fig. 7 exemplified a first embodiment of a switching cell of the inventive inverter system, wherein the controllable bidirectional power semiconductor switches are connected with controlled unidirectional current-carrying direction in half-bridge circuit and the capacitive energy storage is connected in parallel to the half-bridge circuit.
  • controllable bidirectional power semiconductor switches are connected with controlled unidirectional current carrying direction in full bridge circuit and the capacitive energy storage is connected in parallel to the full bridge circuit.
  • the short-circuit element 4 is preferably formed by a controllable switch with bidirectional current-carrying direction.
  • the controllable switch with bidirectional current-carrying direction is preferably as a mechanical switch with pyrotechnic triggering executed.
  • Such a mechanical switch with pyrotechnic triggering triggers sufficiently quickly and provides a reliable galvanic connection of the phase voltage source of the phases U, V, W, in the event of the above-mentioned error.
  • the respective controllable switch with bidirectional current-carrying direction of the short-circuit element 4 is formed by two controllable power semiconductor switches connected in antiparallel.
  • the power electronic system according to the invention comprises m of the aforementioned converter systems 1 according to the invention, where m> 1 and the short-circuit elements 4 of the converter systems 1 then all lie at the definable voltage potential N1.
  • the power electronic system according to the invention is thus conceivably simple, modular and particularly easily scalable in terms of electrical power.
  • the short-circuit elements 4 of the converter systems 1 are all at the definable voltage potential, by means of the short-circuit elements 4 in the event of an occurring fault current, for example caused by a fault in a partial converter system 3.1,..., 3.n, a galvanic connection of all phase voltage sources 2 to the definable voltage potential N1, ie in particular a short circuit of the phase voltage sources 2 can be achieved.
  • the fault current then advantageously splits on the side of the phase voltage sources 2, but also on the partial converter systems 3.1,..., 3.n of the converter systems 1, before the converter systems 1 are disconnected from the phase voltage sources 2.
  • a fault current occurring in the event of a fault in a partial converter system 3.1,..., 3.n can be controlled very easily before the phase voltage sources 2 are disconnected.
  • the phase voltage sources 2 of the converter systems 1 are not shown.
  • the phase voltage sources 2 of the converter systems 1 are on a further definable, in particular common, voltage potential N2. It has proved to be advantageous for the definable voltage potential N1 of the short-circuit elements 4 of the converter systems 1 to correspond to the definable voltage potential N2 of the phase voltage sources 2 of the converter systems 1, since then the phase voltage source can be effectively and desirably short-circuited as desired.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Es wird Umrichtersystem (1) mit einer Phasenspannungsquelle (2) und mit n Teilumrichtersystemen (3.1, ..., 3.n) angegeben, wobei n ‰¥ 1 ist und im Falle n=1 das Teilumrichtersystem (3.1) an einem Verbindungspunkt (A) mit der Phasenspannungsquelle (2) verbunden ist und im Falle n>1 die Teilumrichtersysteme (3.1, ..., 3.n) an dem Verbindungspunkt (A) mit der Phasenspannungsquelle (2) verbunden sind. Zur Beherrschung eines Fehlerstromes in einem Teilumrichtersystem (3.1, ... , 3.n) ist ein Kurzschlusselement (4) mit dem Verbindungspunkt (A) mit der Phasenspannungsquelle (2) verbunden, welches Kurzschlusselement (4) auf einem festlegbaren Spannungspotential (N1) liegt. Desweiteren wird ein leistungselektronisches System mit m Umrichtersystemen (1) angegeben, wobei m>1 ist.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einer Umrichtersystem sowie einem leistungselektronischen System mit solchen Umrichtersystemen gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
    • Stand der Technik
  • Umrichtersysteme werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Ein in der Spannung besonders einfach zu skalierendes leistungselektronisches System mit Umrichtersystemen ist in der DE 102005040543A1 angegeben. Das leistungselektronische System der DE 102005040543A1 umfasst mindestens zwei Phasenbausteine, wobei jeder Phasenbaustein ein erstes und ein zweites Teilumrichtersystem aufweist. Jedes Teilumrichtersystem umfasst eine Induktivität und dazu in Serie geschaltete n in Serie geschaltete zweipolige Schaltzellen, wobei n ≥ 2 ist und jede Schaltzelle ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung und einen kapazitiven Energiespeicher aufweist. Für jeden Phasenbaustein ist die Induktivität des ersten Teilumrichtersystems seriell mit der Induktivität des zweiten Teilumrichtersystems verbunden. Ferner bildet für jeden Phasenbaustein der Verbindungspunkt der Induktivität des ersten Teilumrichtersystems mit der Induktivität des zweiten Teilumrichtersystems einen Phasenanschluss. An den Phasenanschlüssen ist typischerweise ein elektrisches Wechselspannungsnetz, also jeweils eine Phasenspannungsquelle, oder eine elektrische Last angeschlossen.
  • Im Falle eines Fehlers in einem Teilumrichtersystem eines Phasenbausteins fliesst der resultierende Fehlerstrom typischerweise über den betroffenen Phasenanschluss vom oder in das elektrisches Wechselspannungsnetz oder von der oder zu der elektrischen Last, bevor das leistungselektronische System an den Phasenanschlüssen getrennt wird. Bis diese Trennung erfolgt, kann das leistungselektronische System, insbesondere die Bauelemente das leistungselektronische System, Schaden nehmen, so dass das das leistungselektronische System repariert bzw. gewartet werden muss und die Verfügbarkeit sinkt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Umrichtersystem anzugeben, bei welchem eine verbesserte Beherrschung eines im Fehlerfall in einem Teilumrichtersystem des Umrichtersystems auftretenden Fehlerstromes möglich ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein leistungselektronisches System mit Umrichtersystemen anzugeben, welches sehr einfach und modular zu realisieren ist.
  • Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
  • Das erfindungsgemässe Umrichtersystem umfasst eine Phasenspannungsquelle und allgemein n Teilumrichtersystemen, wobei n ≥ 1 ist und im Falle n=1 das Teilumrichtersystem an einem Verbindungspunkt mit der Phasenspannungsquelle verbunden ist und im Falle n>1 die Teilumrichtersysteme an dem Verbindungspunkt mit der Phasenspannungsquelle verbunden sind. Erfindungsgemäss ist nun ein Kurzschlusselement mit dem Verbindungspunkt mit der Phasenspannungsquelle verbunden, welches Kurzschlusselement auf einem festlegbaren Spannungspotential liegt. Das Kurzschlusselement dient der galvanischen Verbindung zum festlegbaren Spannungspotential N1, d.h. insbesondere des Kurzschlusses der Phasenspannungsquelle im Falle eines auftretenden Fehlerstromes aufgrund eines Fehlers in einem Teilumrichtersystem. Der Fehlerstrom teilt sich vorteilhaft auf der Seite der Phasenspannungsquelle, aber auch auf das Teilumrichtersystem oder auf die Teilumrichtersysteme auf, so dass im Falle mehrerer Teilumrichtersysteme kurzzeitig auch Teilströme durch die vom Fehler nicht betroffenen Teilumrichtersysteme entstehen, bevor das Umrichtersystem von der Phasenspannungsquelle oder von einer angeschlossenen elektrischen Last getrennt wird. Somit lässt sich ein im Fehlerfall in einem Teilumrichtersystem auftretender Fehlerstrom sehr einfach beherrschen, bevor die Phasenspannungsquelle abgetrennt wird.
  • Das erfindungsgemässe leistungselektronische System umfasst m der vorstehend genannten erfindungsgemässen Umrichtersysteme, wobei m>1 ist, wobei die Kurzschlusselemente der Umrichtersysteme dann alle auf dem festlegbaren Spannungspotential liegen. Das erfindungsgemässe leistungselektronische System ist damit denkbar einfach aufgebaut, modular und bezüglich der elektrischen Leistung besonders einfach skalierbar. Dadurch, dass die Kurzschlusselemente der Umrichtersysteme alle auf dem festlegbaren Spannungspotential liegen, kann mittels der Kurzschlusselemente im Falle eines auftretenden Fehlerstromes, beispielweise hervorgerufen durch einen Fehler in einem Teilumrichtersystem, eine galvanische Verbindung aller Phasenspannungsquellen zum festlegbaren Spannungspotential, d.h. insbesondere ein Kurzschlusses der Phasenspannungsquellen, erzielt werden. Der Fehlerstrom teilt sich dann vorteilhaft auf der Seite der Phasenspannungsquellen, aber auch auf die Teilumrichtersysteme der Umrichtersysteme auf, bevor die Umrichtersysteme von den Phasenspannungsquellen getrennt werden. Somit lässt sich auch bei dem erfindungsgemässen leistungselektronischen System ein im Fehlerfall in einem Teilumrichtersystem auftretender Fehlerstrom sehr einfach beherrschen, bevor das die Phasenspannungsquellen abgetrennt werden.
  • Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Umrichtersystems,
    Fig. 2
    eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Umrichtersystems,
    Fig. 3
    eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen leistungselektronischen Systems,
    Fig.4
    eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen leistungselektronischen Systems,
    Fig. 5
    eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen leistungselektronischen Systems,
    Fig. 6
    eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemässen leistungselektronischen Systems,
    Fig. 7
    eine erste Ausführungsform einer Schaltzelle des erfindungsgemässen Umrichtersystems und
    Fig. 8
    eine zweite Ausführungsform der Schaltzelle des erfindungsgemässen Umrichtersystems.
  • Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Ausführungsformen stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
    • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • In Fig.1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Umrichtersystems 1 dargestellt. Desweiteren zeigt Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Umrichtersystems 1. Das Umrichtersystem 1 nach Fig. 1 und Fig. 2 umfasst eine Phasenspannungsquelle 2 und allgemein n Teilumrichtersystemen 3.1, ..., 3.n, wobei n ≥ 1 ist. Im Falle n=1, wie beispielhaft in Fig.1 gezeigt, ist das Teilumrichtersystem 3 an einem Verbindungspunkt A mit der Phasenspannungsquelle 2 verbunden. Im Falle n>1, wie beispielhaft in Fig. 2 gezeigt, sind die Teilumrichtersysteme 3.1, ..., 3.n dann an dem Verbindungspunkt A mit der Phasenspannungsquelle 2 verbunden. Nach der Erfindung . Erfindungsgemäss ist nun ein Kurzschlusselement 4 mit dem Verbindungspunkt A mit der Phasenspannungsquelle 2 verbunden, welches Kurzschlusselement 4 auf einem festlegbaren Spannungspotential N1 liegt. Das festlegbare Spannungspotential N1 kann zum Beispiel als Erdpotential festgelegt werden. Das Kurzschlusselement 4 dient der galvanischen Verbindung zum festlegbaren Spannungspotential N1, d.h. insbesondere des Kurzschlusses der Phasenspannungsquelle 2 im Falle eines auftretenden Fehlerstromes aufgrund eines Fehlers in einem Teilumrichtersystem 3.1, ... , 3.n. Der Fehlerstrom besagte teilt sich vorteilhaft auf der Seite der Phasenspannungsquelle 2, aber auch auf das Teilumrichtersystem 3.1 oder auf die Teilumrichtersysteme 3.1, ... , 3.n auf, so dass im Falle mehrerer Teilumrichtersysteme 3.1, ... , 3.n kurzzeitig auch Teilströme durch die vom Fehler nicht betroffenen Teilumrichtersysteme 3.1, ..., 3.n entstehen, bevor das Umrichtersystem von der Phasenspannungsquelle 2 oder von einer typischerweise angeschlossenen elektrischen Last getrennt wird. Somit lässt sich ein im Fehlerfall in einem Teilumrichtersystem 3.1, ..., 3.n auftretender Fehlerstrom sehr einfach beherrschen, bevor das die Phasenspannungsquelle 2 abgetrennt wird.
  • Vorzugsweise liegt die Phasenspannungsquelle 2 auf einem weiteren festlegbaren Spannungspotential N2, wie beispielhaft in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass das festlegbare Spannungspotential N1 des Kurzschlusselementes 4 dem festlegbaren Spannungspotential N2 der Phasenspannungsquell 2 der Umrichtersysteme 1 entspricht, da dann Phasenspannungsquelle effektiv und in gewünschter Weise kurzgeschlossen werden kann.
  • Zur Abtrennung der Phasenspannungsquelle 2 von dem Teilumrichtersystem 3.1 oder von den Teilumrichtersystemen 3.1, ..., 3.n ist ein Leistungsschalter 5 zwischen den Verbindungspunkt A und der Phasenspannungsquelle 2 eingeschaltet. Vorzugsweise ist der Leistungsschalter 5 als mechanischer Schalter ausgeführt.
  • Das Teilumrichtersystem 3.1, ..., 3.n umfasst eine Induktivität L und dazu in Serie geschaltete p in Serie geschaltete zweipolige Schaltzellen 6, wobei p ≥ 2 ist und jede Schaltzelle 6 ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung und einen kapazitiven Energiespeicher aufweist. Das Teilumrichtersystem 3.1, ..., 3.n ist mit der Induktivität L mit dem Verbindungspunkt A verbunden. Der jeweilige ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung der Schaltzellen 6 des Teilumrichtersystems 3.1, ..., 3.n ist insbesondere als Abschaltthyristor (GTO - Gate Turn-Off Thyristor) oder als integrierter Thyristor mit kommutierter Ansteuerelektrode (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor) mit jeweils einer antiparallel geschalteten Diode ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, einen ansteuerbaren bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung beispielsweise als Leistungs-MOSFET mit zusätzlich antiparallel geschalteter Diode oder als Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT) mit zusätzlich antiparallel geschalteter Diode auszubilden. In Fig. 7 ist beispielhaft eine erste Ausführungsform einer Schaltzelle des erfindungsgemässen Umrichtersystems dargestellt, wobei die ansteuerbaren bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung in Halbbrückenschaltung verschaltet sind und der kapazitive Energiespeicher parallel zu der Halbbrückenschaltung geschaltet ist. Desweiteren ist in Fig. 8 beispielhaft eine zweite Ausführungsform einer Schaltzelle des erfindungsgemässen Umrichtersystems dargestellt, wobei die ansteuerbaren bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung in Vollbrückenschaltung verschaltet sind und der kapazitive Energiespeicher parallel zu der Vollbrückenschaltung geschaltet ist.
  • Das Kurzschlusselement 4 ist vorzugsweise durch einen ansteuerbaren Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung gebildet. Der ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung ist vorzugsweise als mechanischer Schalter mit pyrotechnischer Auslösung ausgeführt. Ein solcher mechanischer Schalter mit pyrotechnischer Auslösung löst hinreichend schnell aus und stellt eine sichere galvanische Verbindung der Phasenspannungsquelle der Phasen U, V, W, im Falle des Auftretens eines vorstehend genannten Fehlers dar. Alternativ zu dem mechanischen Schalter mit pyrotechnischer Auslösung ist es auch denkbar, dass der jeweilige ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung des Kurzschlusselementes 4 durch zwei antiparallel geschaltete ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter gebildet ist.
  • In Fig. 3 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen leistungselektronischen Systems dargestellt. Ferner ist in Fig. 4 zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen leistungselektronischen Systems gezeigt. Fig. 5 zeigt weiterhin eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen leistungselektronischen Systems. In Fig. 6 ist darüberhinaus eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemässen leistungselektronischen Systems dargestellt. Allgemein umfasst das erfindungsgemässe leistungselektronische System m der vorstehend genannten erfindungsgemässen Umrichtersysteme 1, wobei m>1 ist und die Kurzschlusselemente 4 der Umrichtersysteme 1 dann alle auf dem festlegbaren Spannungspotential N1 liegen. Das erfindungsgemässe leistungselektronische System ist damit denkbar einfach aufgebaut, modular und bezüglich der elektrischen Leistung besonders einfach skalierbar. Dadurch, dass die Kurzschlusselemente 4 der Umrichtersysteme 1 alle auf dem festlegbaren Spannungspotential liegen, kann mittels der Kurzschlusselemente 4 im Falle eines auftretenden Fehlerstromes, beispielweise hervorgerufen durch einen Fehler in einem Teilumrichtersystem 3.1, ..., 3.n, eine galvanische Verbindung aller Phasenspannungsquellen 2 zum festlegbaren Spannungspotential N1, d.h. insbesondere ein Kurzschluss der Phasenspannungsquellen 2, erreicht werden. Der Fehlerstrom teilt sich dann vorteilhaft auf der Seite der Phasenspannungsquellen 2, aber auch auf die Teilumrichtersysteme 3.1, ..., 3.n der Umrichtersysteme 1 auf, bevor die Umrichtersysteme 1 von den Phasenspannungsquellen 2 getrennt werden. Somit lässt sich auch bei dem erfindungsgemässen leistungselektronischen System ein im Fehlerfall in einem Teilumrichtersystem 3.1, ... , 3.n auftretender Fehlerstrom sehr einfach beherrschen, bevor das die Phasenspannungsquellen 2 abgetrennt werden. In Fig. 4 und Fig. 5 sind beispielhaft m = 3 Umrichtersysteme 1 dargestellt, wobei jedes Umrichtersystem 1 n = 2 Teilumrichtersysteme 3.1, 3.2 aufweist. Der Übersichtlichkeit halber sind die Phasenspannungsquellen 2 der Umrichtersysteme 1 nicht dargestellt. Ferner ist in Fig. 6 beispielhaft m = 2 Umrichtersysteme 1 dargestellt, wobei jedes Umrichtersystem 1 n = 2 Teilumrichtersysteme 3.1, 3.2 aufweist. Auch in Fig. 6 sind die Phasenspannungsquellen 2 der Umrichtersysteme 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
  • Wie beispielhaft in Fig. 3 dargestellt, liegen die Phasenspannungsquellen 2 der Umrichtersysteme 1 auf einem weiteren festlegbaren, insbesondere gemeinsamen, Spannungspotential N2. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass das festlegbare Spannungspotential N1 der Kurzschlusselemente 4 der Umrichtersysteme 1 dem festlegbaren Spannungspotential N2 der Phasenspannungsquellen 2 der Umrichtersysteme 1 entspricht, da dann Phasenspannungsquelle effektiv und in gewünschter Weise kurzgeschlossen werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Umrichtersystem
    2
    Phasenspannungsquelle
    3.1, ...3.n
    Teilumrichtersystem
    4
    Kurzschlusselement
    5
    Leistungsschalter
    6
    Schaltzelle
    A
    Verbindungspunkt
    L
    Induktivität
    N1
    festlegbares Potential
    N2
    weiteres festlegbares Potential

Claims (10)

  1. Umrichtersystem (1) mit einer Phasenspannungsquelle (2) und mit n Teilumrichtersystemen (3.1, ..., 3.n), wobei n ≥ 1 ist und im Falle n=1 das Teilumrichtersystem (3.1) an einem Verbindungspunkt (A) mit der Phasenspannungsquelle (2) verbunden ist und im Falle n>1 die Teilumrichtersysteme (3.1, ... , 3.n) an dem Verbindungspunkt (A) mit der Phasenspannungsquelle (2) verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mit dem Verbindungspunkt (A) mit der Phasenspannungsquelle (2) ein Kurzschlusselement (4) verbunden ist, welches Kurzschlusselement (4) auf einem festlegbaren Spannungspotential (N1) liegt.
  2. Umrichtersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsschalter (5) zwischen den Verbindungspunkt (A) und der Phasenspannungsquelle (2) eingeschaltet ist.
  3. Umrichtersystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (5) als mechanischer Schalter ausgeführt ist.
  4. Umrichtersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilumrichtersystem (3.1, ..., 3.n) eine Induktivität (L) und dazu in Serie geschaltete p in Serie geschaltete zweipolige Schaltzellen (6) umfasst, p ≥ 2 ist und jede Schaltzelle (6) ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung und einen kapazitiven Energiespeicher aufweist, wobei das Teilumrichtersystem (3.1, ..., 3.n) mit der Induktivität (L) mit dem Verbindungspunkt (A) verbunden ist.
  5. Umrichtersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlusselement (4) durch einen ansteuerbaren Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung gebildet ist.
  6. Umrichtersystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung als mechanischer Schalter mit pyrotechnischer Auslösung ausgeführt ist.
  7. Umrichtersystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung durch zwei antiparallel geschaltete ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter gebildet ist.
  8. Leistungselektronisches System, dadurch gekennzeichnet, dass m Umrichtersysteme (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 vorgesehen sind, wobei m>1 ist, und
    dass die Kurzschlusselemente (4) der Umrichtersysteme (1) auf dem festlegbaren Spannungspotential (N1) liegen.
  9. Leistungselektronisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenspannungsquellen (2) der Umrichtersysteme (1) auf einem weiteren festlegbaren Spannungspotential (N2) liegen.
  10. Leistungselektronisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das festlegbare Spannungspotential (N1) der Kurzschlusselemente (4) der Umrichtersysteme (1) dem festlegbaren Spannungspotential (N2) der Phasenspannungsquellen (2) der Umrichtersysteme (1) entspricht.
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